專利名稱：用于測(cè)定流動(dòng)氣體混合物中氣體濃度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于測(cè)定流動(dòng)的、包含固體的氣體混合物中氣體濃度的方法,還涉及ー種用于實(shí)施這種方法的裝置。
背景技術(shù)：
在化學(xué)產(chǎn)業(yè)中，測(cè)定固體-氣體混合物中氣體的濃度常常是必要的，例如對(duì)于エ藝控制。這例如在エ藝結(jié)束時(shí)進(jìn)行，為了在產(chǎn)物從未反應(yīng)的殘留的原料或者任何副產(chǎn)品中分離并且從反應(yīng)器中去除之前測(cè)定在包含固體產(chǎn)物和原料的混合物中氣體分?jǐn)?shù)。同樣，氣體分?jǐn)?shù)可以在反應(yīng)過程中測(cè)定，為了例如測(cè)定在反應(yīng)氣體混合物中原料氣體的分?jǐn)?shù)或者產(chǎn)物氣體的分?jǐn)?shù)。這種類型的氣體分析在燃燒裝置產(chǎn)業(yè)中也是已知的，因?yàn)榉梢筮@種系統(tǒng)的運(yùn)營商定期證明符合排放限值。對(duì)于煙氣中CO、NO、NO2, SO2等分?jǐn)?shù)的測(cè)量來說，使用例如順磁氧測(cè)量和非色散紅外光譜。在測(cè)量技術(shù)中特別關(guān)注測(cè)定氧氣的濃度。氧氣的重要性在于，特別是在燃燒過程的控制、反應(yīng)的監(jiān)測(cè)或者在安全方面。從汽車產(chǎn)業(yè)，已知廢氣中精確的氧氣測(cè)量使用拉姆達(dá)(lambda)探頭，以控制燃料-空氣混合物。在此，利用了ニ氧化鋯可以在高溫輸送電解氧離子的事實(shí)，借以產(chǎn)生電壓。對(duì)于氧氣測(cè)量，因此考慮ZrO2探頭。這種測(cè)量是基于在測(cè)量電池中通過兩面都涂有鉬的氧化鋯膜將參考?xì)怏w(例如空氣)從樣品氣體中分離的事實(shí)。因而形成電化學(xué)電池，其中，如果在兩邊的氧氣濃度不同，導(dǎo)致氧化鋯膜的厚度上的氧梯度和鉬電極之間的電位差。從壓降可以測(cè)定氧分壓。在供熱鍋爐的監(jiān)測(cè)過程中，拉姆達(dá)探頭可以測(cè)量廢氣中的氧氣含量，并且因此控制在鍋爐中的最佳混合物，以防止燃燒空氣過?；虿蛔?。然而,在具有很高的顆粒分?jǐn)?shù)(particle fraction)和可能引起交叉敏感或者導(dǎo)致探頭老化的物質(zhì)的氣流的應(yīng)用上，這些探頭過于敏感并且使用這種探頭操作的裝置維護(hù)
非常頻繁。用于氧氣測(cè)量的另ー個(gè)可能性是ニ極管激光光譜儀。探測(cè)器通過氣體分子測(cè)量激光的吸收。由此可以計(jì)算出氣體濃度。然而，如果待研究的エ藝氣體具有相對(duì)高的固體分?jǐn)?shù)，ニ極管激光光譜儀的使用始終是ー個(gè)問題。固體損害激光的傳輸，從而影響測(cè)量結(jié)果。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，已作出努力來改善在負(fù)載固體的氣體中的濃度測(cè)量。在CN 100545634C中，為此目的，提出了使用偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(displacement body)或者阻斷系統(tǒng)(blocking system),以偏轉(zhuǎn)或者阻擋固體顆粒。偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有,例如,擋板的形狀。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在稀釋的固體-氣體流和ー些高度流動(dòng)的固體中，由于旋渦形成和反向流，固體可以傳遞到擋板上面和后面，并且激光束也被損害。
傳統(tǒng)的激光光譜儀只能在具有達(dá)約50g/m3顆粒分?jǐn)?shù)的氣體混合物的情況下可靠地運(yùn)行。然而，在化學(xué)產(chǎn)業(yè)中有應(yīng)用，其中顆粒分?jǐn)?shù)明顯更高。其中ー個(gè)例子是在高度分散的ニ氧化硅的生產(chǎn)中的エ藝控制。在通過從氯硅烷和氫氣沉積多晶硅的生產(chǎn)中，例如在西門子反應(yīng)器中，四氯化硅(SiCl4)生成。
例如，從DE2620737和EP790213中已知通過火焰水解(flame hydrolysis)生產(chǎn)SiO2粉末(高度分散的ニ氧化硅)。除上述四氯化硅之外，許多其他含硅化合物及其混合物也可以作為原料，例如甲基三氯硅烷、三氯硅烷或者其與四氯化硅的混合物。也可以使用無氯硅烷或者硅氧烷。根據(jù)EP790213，使用ニ聚體氯硅烷和硅氧烷也是可能的。為了過程控制和安全措施，在ニ氧化硅的生產(chǎn)中需要氧氣測(cè)量。在ニ氧化硅的生產(chǎn)中，氣流通常包括大于50g/m3的顆粒分?jǐn)?shù)，通常為100_200g/m3。這意味著，沒有額外的裝置，由傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量技術(shù)(諸如，例如，由激光技術(shù)測(cè)量氧氣)測(cè)量氣體濃度是不可能的。在CN 100545634C中提出的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)在通過火焰水解生產(chǎn)的ニ氧化硅的生產(chǎn)中使用時(shí)，導(dǎo)致不確定的測(cè)量結(jié)果。這首先與存在于氣流中的顆粒的尺寸和密度是相關(guān)的。也已證明顆粒極低的慣性對(duì)測(cè)量是不利的。激光測(cè)量被偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)損害，由于漩渦形成，不能夠確保無顆粒進(jìn)入測(cè)量部分。激光的傳輸在這樣的氣流中太低。特別是在由火焰水解生產(chǎn)ニ氧化硅中，技術(shù)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)不允許具有太低的傳輸值的激光作為防備可燃性氣體混合物形成的保護(hù)裝置。本發(fā)明的目的由這些問題產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過一種用于測(cè)定在流動(dòng)氣體混合物中的氣體濃度的方法實(shí)現(xiàn)，其中該流動(dòng)氣體混合物包括具有一定的粒徑分布(規(guī)定的粒徑分布，defined sizedistribution)的固體,其中通過光譜儀測(cè)量在流動(dòng)氣體混合物中氣體的濃度，其包括在測(cè)量過程中光譜儀(optical spectrometer)的測(cè)量光束被引導(dǎo)通過具有由透氣材料制成的壁的測(cè)量通道。本發(fā)明還涉及用于測(cè)定エ業(yè)裝置的含固體的氣體混合物的氣體濃度的裝置，該裝置包括氣體管線，適用于引導(dǎo)含固體的氣體混合物，光譜儀，在氣體管線內(nèi)包括光譜儀的測(cè)量光束的測(cè)量通道，其中測(cè)量通道被由透氣材料制成的壁所包圍。本發(fā)明進(jìn)一步涉及由透氣材料制成的空心圓柱用于使光譜儀的測(cè)量光束與流動(dòng)氣體混合物中固體屏蔽的用途。光譜儀優(yōu)選是激光光譜儀。測(cè)量光束優(yōu)選是激光光束。エ業(yè)裝置優(yōu)選是反應(yīng)器。該反應(yīng)器優(yōu)選包括用于反應(yīng)氣體的進(jìn)料裝置、反應(yīng)器腔室和用于產(chǎn)品氣體的出口裝置。測(cè)量通道可以位于反應(yīng)器的內(nèi)部和外部。
測(cè)量通道或者空心圓柱的壁的材料具有與顆粒-氣體條件最佳匹配的性質(zhì)。優(yōu)選地，測(cè)量通道由圓柱體形成。在本發(fā)明的背景下圓柱意味著該圓柱體包括殼體表面和橫截面，其中橫截面可以是，例如，圓形或者矩形。測(cè)量通道管可以是例如管子的形狀。形成測(cè)量通道的圓柱體優(yōu)選設(shè)置在エ藝氣體的路徑中，該氣體例如在反應(yīng)器或者在(生產(chǎn))裝置中產(chǎn)生。優(yōu)選地，圓柱體安裝在支架上以使用于維護(hù)目的圓柱體可以被簡(jiǎn)單的移除。
測(cè)量通道(光路長度)的長度可以選擇可變的，并且它優(yōu)選在200mm和幾米之間。測(cè)量通道的橫截面優(yōu)選適應(yīng)于光學(xué)系統(tǒng)。光譜儀的測(cè)量光束具有一定的寬闊的區(qū)域。測(cè)量通道的橫截面應(yīng)選擇相應(yīng)更大的。優(yōu)選測(cè)量通道的內(nèi)徑至少比測(cè)量光束的直徑大10%。測(cè)量通道的內(nèi)徑可以是，例如，3-100mm，優(yōu)選10_90mm，特別優(yōu)選20_80mm，非常特別優(yōu)選 30-70mm。測(cè)量通道的壁應(yīng)該具有使它們可以承受流動(dòng)的エ藝氣體所造成的力量的厚度。優(yōu)選地,壁厚為I至20mm,特別優(yōu)選4至10mm。測(cè)量通道的壁的氣體滲透性優(yōu)選為0. Olm/ (s bar) -0. lm/ (s bar)。優(yōu)選地，透氣材料是多孔材料，其孔的尺寸根據(jù)氣體混合物中顆?；蛘吖腆w的粒徑分布選擇。如果顆粒具有例如5至20 ii m的粒徑分布,材料的中值孔徑(median pore size)應(yīng)該理想的是小于或者等于5 ii m。作為透氣材料，優(yōu)選使用聚合物。特別優(yōu)選使用聚四氟こ烯(PTFE)。優(yōu)選地，由PTFE制成的測(cè)量通道的透氣性優(yōu)選為 0. 03m/ (s bar) -0. 08m/ (s bar)，非常特別優(yōu)選 0. 04m/ (s bar) -0. 07m/ (s bar)。非常特別優(yōu)選使用燒結(jié)的PTFE (sintered PTFE)。透氣的燒結(jié)陶瓷或者燒結(jié)金屬(sintered metal)都同樣適合。如果測(cè)量具有大于或等于200°C的溫度的氣體混合物，特別優(yōu)選使用它們。優(yōu)選地，在測(cè)量過程中的氣體混合物的溫度是從0至1500°C。特別優(yōu)選地，氣體混合物的溫度是120至1000°C。通過使用這種測(cè)量通道，使氣體混合物中的固體遠(yuǎn)離激光束。氣體可以穿透壁；遠(yuǎn)離固體顆粒。根據(jù)選擇的孔徑或者透氣性，小顆?？梢圆糠执┩笢y(cè)量通道的壁，但不干擾測(cè)量。同時(shí)，它確保在氣體混合物中的固體不能阻塞測(cè)量通道。令人驚訝的是，在測(cè)量通道的外壁上沒有發(fā)生沉積。在現(xiàn)有技術(shù)中觀察的有助于顆粒密度的増加的渦旋不會(huì)在根據(jù)本發(fā)明的方法中發(fā)生。當(dāng)氣流中的顆粒比較輕時(shí)，即，因此具有低的慣性，與現(xiàn)有技術(shù)的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或者擋板相比，該方法顯示出特別的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)閾醢逯荒茉诋?dāng)顆粒足夠重以沿著擋板而不是流動(dòng)氣體時(shí)達(dá)到他們的目的。然而，在許多應(yīng)用中并不總是這樣。優(yōu)選當(dāng)測(cè)量用作生產(chǎn)エ藝的控制時(shí)，氣體濃度的更精確的測(cè)量也對(duì)エ藝變化做出了改進(jìn)(更快)的響應(yīng)行為。
優(yōu)選地，對(duì)腐蝕性或者含灰塵、焦油或者煙灰的氣體混合物進(jìn)行觀測(cè)。優(yōu)選地，エ藝氣體中的微量水分由該方法測(cè)定。優(yōu)選地，鍋爐系統(tǒng)中的排放由該方法觀測(cè)。優(yōu)選地，測(cè)定選自由NH3> HCl、HF、H2S' 02、H20、CO、CO2, NO、N02、N20、CH4、CH2O 和C2H3Cl組成的組中的氣體的濃度。此外，可以測(cè)定鹵素的濃度，諸如，例如，氯氣或者溴氣、SO2> 03、有機(jī)氣體(例如苯、過氧化氫、苯酹、酮、甲苯)。待測(cè)定的氣體的吸收譜線(absorption line)可以是在IR和UV之間的整個(gè)波長范圍內(nèi)，優(yōu)選地，氣體混合物中待測(cè)定的氣體的吸收譜線是在近IR范圍。 非常特別優(yōu)選エ藝氣體中的氧氣濃度的測(cè)定。優(yōu)選地，氧氣濃度是由根據(jù)本發(fā)明的方法在負(fù)載固體的氣體混合物中測(cè)定。在ニ氧化硅的火焰水解的情況下非常特別優(yōu)選使用該方法。在這種情況下的氣體混合物中的固體為初級(jí)粒子的絮狀聚集體，或者聚集體的團(tuán)聚體，其中團(tuán)聚體具有從I至250i!m的尺寸。在這種情況下，測(cè)量用作裝置安全和過程控制。特別是因維護(hù)頻繁的氧化鋯探頭可以被替換，新的測(cè)量方法在此具有特別的優(yōu)勢(shì)。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，氧化鋯探頭，特別是HCl的存在下，在ニ氧化硅火焰水解的情況下，存在提供虛假的測(cè)量值。使用具有由透氣材料制成的壁的測(cè)量通道測(cè)量顯示在這方面沒有任何問題。因此根據(jù)本發(fā)明的方法代表了在生產(chǎn)ニ氧化硅中的氣流中氧氣濃度的更便宜和更可靠的測(cè)量。其他測(cè)量,諸如縮短測(cè)量通道或者測(cè)量部分(measurement section),已被證明是不合適的。對(duì)于縮短測(cè)量部分來說，為了用這種方式減少顆粒的數(shù)目，由于較短的光纖長度，測(cè)量的精度只有按體積計(jì)大約0. 25%，這在低氣體濃度的測(cè)量中是不可接受的。至于在現(xiàn)有技術(shù)中描述的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，已證明是更嚴(yán)重的缺點(diǎn)，在エ藝氣體通道中的壓降明顯增加。這與橫截面的減少和偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)周圍的流量相關(guān)。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，這樣的壓降明顯較輕的程度發(fā)生。為了在測(cè)量前引導(dǎo)走無顆粒氣體，用由鋼制成的皮托(Pitot)管實(shí)驗(yàn)也沒有成功，因?yàn)椋紫?，除發(fā)生腐蝕問題之外，ニ氧化硅顆粒也被帶走。其次，不能提供用于流過皮托管的足夠的壓力差，這引起了非常大的停止周期(dead period)，這又與安全要求相抵觸。使用由PTFE針刺氈制成的過濾袋實(shí)驗(yàn)，同在固體分離中使用一祥，在ニ氧化硅的火焰水解的情況下在氣體測(cè)量中同樣不成功。由于高流速，ニ氧化硅顆粒被迫進(jìn)入過濾袋，它阻擋了通過光學(xué)測(cè)量光束的通道。此外，在過濾袋上-由于在這個(gè)過程中的高流速-可觀察到機(jī)械磨損，這會(huì)導(dǎo)致過濾袋泄漏。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例圓柱測(cè)量通道是由透氣的PTFE制成的管形成。管具有約200mm的長度。壁厚為約5至7mm。管的直徑為約55mm。中值孔徑為5 y m。這種PTFE管的透氣性是在0. 036m/(s bar)-0. 073m/(s bar)的范圍內(nèi)。
理想地測(cè)定PTFE管的透氣性如下管子兩端都被密封，例如用橡皮塞，其中一個(gè)塞子具有用于壓カ測(cè)量的開ロ以及另ー個(gè)塞子具有用于引入空氣的開ロ。壓カ線的起點(diǎn)降低至I. 7bar(在第二個(gè)比較的測(cè)量降至Ibar的情況下)。使用可控的流量計(jì)，設(shè)定流量。然后在PTFE管中的流量使用相對(duì)壓力變送器測(cè)量。從而可以測(cè)定管子的壓カ差并且最后計(jì)算透氣性。在實(shí)施例中使用這樣的PTFE管用于測(cè)量含ニ氧化硅的混合氣體中的氧氣濃度。作為測(cè)量儀器，商業(yè)傳統(tǒng)的激光光譜儀被用于測(cè)量在含固體的氣體混合物中的氣體濃度。測(cè)量氧氣濃度的流動(dòng)氣體混合物的溫度是167°C。作為測(cè)試氣體，包含按體積計(jì)4. 5%氧氣的氧氣-氮?dú)饣旌衔镆?0g/m3被送至ニ
氧化硅。作為比較例，使用擋板取代過濾管，如在現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)CN100545634C中所述。表I顯示了實(shí)施例和比較例的結(jié)果。表I
權(quán)利要求
1.ー種用于測(cè)定在流動(dòng)氣體混合物中的氣體濃度的方法，其中，所述流動(dòng)氣體混合物包括具有一定的粒徑分布的固體，其中通過光譜儀測(cè)量在流動(dòng)氣體混合物中氣體的濃度，其包括在測(cè)量過程中光譜儀的測(cè)量光束被引導(dǎo)通過具有由透氣材料制成的壁的測(cè)量通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述氣體混合物包括一種或更多種選自由NH3、HC1、Cl2、HF、H2S, 02、H20、CO、CO2, NO、N02、N20、CH4, CH2O 和 C2H3Cl 組成的組中的氣體并且測(cè)定了此組中氣體的濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述氣體混合物包括HC1、Cl2和02。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述流動(dòng)氣體混合物包括火焰水解的ニ氧化硅顆粒并且在氣體混合物中測(cè)定了氧氣濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述透氣材料選自由聚合物、燒結(jié)的陶瓷和燒結(jié)的金屬組成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述透氣材料為聚四氟こ烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述光譜儀為激光光譜儀。
8.一種用于測(cè)定エ業(yè)裝置的含固體的氣體混合物的氣體濃度的裝置，其中，所述裝置包括氣體管線，適用于引導(dǎo)含固體的氣體混合物，光譜儀，在氣體管線內(nèi)包括光譜儀的測(cè)量光束的測(cè)量通道，其中，所述測(cè)量通道被由透氣材料制成的壁所包圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述光譜儀為激光光譜儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或者9所述的裝置，其中，所述透氣材料選自由聚合物、燒結(jié)陶瓷和燒結(jié)金屬組成的組。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述透氣材料為聚四氟こ烯。
12.由透氣材料制成的空心圓柱用于使光譜儀的測(cè)量光束與流動(dòng)的固體-氣體混合物中固體屏蔽的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)定流動(dòng)氣體混合物中氣體濃度的裝置和方法。本發(fā)明涉及一種用于測(cè)定在流動(dòng)氣體混合物中的氣體濃度的方法，其中該流動(dòng)氣體混合物包括具有規(guī)定的粒徑分布的固體，其中經(jīng)過光譜儀測(cè)量在流動(dòng)氣體混合物中氣體的濃度，其包括在測(cè)量過程中被引導(dǎo)通過具有由透氣材料制成的壁的測(cè)量通道的光譜儀的測(cè)量光束。本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施這種方法的裝置。本發(fā)明的方法代表了在生產(chǎn)二氧化硅中的氣流中氧氣濃度的更便宜和更可靠的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102650589SQ20121004656
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者克里斯托弗·毛雷爾, 約翰·胡貝爾, 馬庫斯·克施哈克爾, 馬庫斯·尼梅特茲 申請(qǐng)人:瓦克化學(xué)股份公司